JPH02232539A - 振動形半導体トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 本発明は振動形半導体トランスデューサに関するもので
ある． 本発明はシリコン基板に形成した振動梁をその振動梁の
固有振動数で振動させておき、その基板に加えられる力
まなは環境の変化に対応して振動梁に生ずる振動周波数
の変化を検出する振動形ｌ・ランスデューサに関するも
のである． さらに詳述すれば、Ｓ／Ｎ比が高く、自動発振を安定に
起こす事ができ、安価な振動形半導体ｌ・ランスデュー
サに関するものである． く従来の技術〉 第５図〜第８図は昭和６１年６月６　Ｅｌ出願の特願昭
６　１’−　１　３　１　４　５　６号［振動式半導体
１・ラン叉デューサ」の一実施例の構成説明図である。

第５図は振動形トランスデ、１−サを圧カセンサとして
用いた構成斜視図、第６図は第５図におけるＡ部の拡大
平面図に電気配線を施した図、第７図は第６図のＡ−Ａ
断面図、第８図（Ａ＞、（Ｂ）は第６図を電気回路で示
した図であり、第８図（Ｂ）はｐ形層とｎ”形層の間に
逆バイアス電圧を印加するだめの電源を示している． これらの図において、 １０は（１００）面を有する、例えば不純物濃度１０ｌ
５原子／　ｃ　ｍ　’以下のｐ形のシリコン基板である
． このシリコン基板ＩＯの一方の面にダイアフラム１１が
エッチングにより形成されている．このダイアフラム１
１の表面（エッチングしない面）には部分的に不純物濃
度１０１７程度のｎ”拡散層（図では省略）が形成され
、このｎ十拡散層の一部に振動梁１２が＜ｏｏｉ＞方向
に形成されている． なお、この振動ＩｉＡ１２はダイア７ラム１ｌに形成さ
れたｎ十層およびｐ４をフォトリングラフィとアンダエ
ッチングの技術を用いて加工する．１３は振動梁１２の
略中央上部に振動梁１２に直交し、かつ、非接触の状態
で設けられた磁石である． １４は絶縁膜としてのＳ　ｉ　Ｏ，膜（第７図参照）で
ある． １５ａ、Ｉ５ｂは例えばアルミなどの金属電伍で、この
金属電＠ｔ　１　５　ａの一端は振動梁１２から延長し
たｎ＋層にＳｉＯ２層に設けたコンタク１・ホール１６
ａ、を通じて接続され、他端はリード線を介して振動梁
１２の抵抗値とほぼ等しい比教抵抗Ｒ．および増幅器２
０の一端に接続されている． 増幅器２０の出力は出力信号として取出されるとともに
分岐して一次コイルＬ　ｌの一端に接続されている．こ
のコイルし１の他端はコモンラインに接続されている． 一方、比較抵抗Ｒｏの他端は中点がコモンラインに接続
した２次コイルＬ２の他端に接続され、この２次コイル
Ｌ２の曲端は振動梁１２の他端に前記同様に形成された
金ｇ電＆１５ｂに接続されている． 上記楕成において、ｐ形層（基板１０）とｎ１形層（振
動梁１２）の間に逆バイアス電圧を印加して絶縁し、振
勤梁１２に交流電流１を流すと振＃Ｊ梁１２の共振周波
数において電磁誘導作用により振動梁のインピーダンス
が上昇して、比較抵抗Ｒ０、および中点をコモンライン
に接続したＬ２により禍成されるブリッジにより不平衡
信号を得ることができる．この信号を増幅器２０で増幅
し、コイルし，に正帰還すると、系は振動梁１２の固有
振動数で自励発振する． 上記格成において、振動梁１２のインピーダンスＲは固
有′ｌＡ動数に応じて上昇する．このインピーダンスＲ
は、次式のように表わすことができる．Ｒキ（１／２２
２）・　（１／（Ｅｇγ）Ｉ７２）（ＡＢ’　ｌ”　／
ｂｈ２）　・Ｑ＋Ｒｏここで、Ｅ：弾性率 ｇ；重力加速 γ；振動子を楕成している材料の密度 Ａ：振動モードによって決まる定数 Ｂ：磁束密度 ！；振動梁の長さ ｂ；振動梁の幅 ｈ；振動梁の厚さ Ｑ；共振の鋭さ Ｒ０；直流抵抗値 上式によれｑ振動梁のＱが数百〜数万の値をとるため、
共振状態においてｍａ器の出力として、大きな振幅信号
を得ることができる．このように、振動形半導体トラン
スデューサ増幅器のゲインを充分取って正帰還するよう
に横成すれば系は固有振動数で自励発振する． しかしながら、この様な装置においては、振動Ｒ１２に
発生する逆起電力を交流ブリッジを用いて検出している
が、ＷＪ振ｔ流め励振成分を、交流ブリッジで完全に抑
圧することは事実上不可能であるから、ブリッジ出力に
はＩｉＪ振電流成分が乗ってくる． このなめに、Ｓ／Ｎ比が悪く安定な出力信号が得られな
い． この様な問題点を解決するなめに、本願出願人は昭和６
２年１０月２８日出願の特願昭６２−２７２６５３号「
発明の名称；振動形トランスデュサ」を出願している． 以下、この出願について、第９図から第１１図により説
明する． 第９図は特願昭６２−２７２６５３号の一実施例の原理
的要部梢成説明図である． 図において、第５図と同一記号の構成は同一機゛能を表
わす． 以下、第５図と相違部分のみ説明する．３０は振動子本
体である．振動子本体３０は両端が基板１１に固定され
互いに平行に配置された第１振動子３１，第２振動子３
２と第１振動子３１．第２振動子３２の振動の腹の部分
を相互に機械的に結合する連結梁３３とを備える．４０
は振動子本体３０に直交する直流磁界を磁石１３により
加え第１振動子３１の両端に交流電流を入力１・ランス
４１により流して磁気誘導作用により振動子本体３０を
磁界と電流に直交する方向に＃録する励振手段である． 入力トランス４１は、二次側が第１振動子３１の両端に
接続されている． ５０は第２振動子３２の両端に発生ずる起電力を検出す
る振動検出手段である．この場合は、出力１・ランス５
１，増幅器５２が用いられている．出力トランス５１の
一次側は、第２振動子３２の両端に接続され、二次側は
増幅器５２を介して出力端子５３に接続されるとともに
、分岐して入力トランス４１の一次側に接枕されている
．以上の楕成において、励振手段４ｏに入力された入力
信号により、振動子木体３ｏは励振される．振動子本体
３０の振動は、振動検出手段５ｏにより検出され出力信
号として取出される．この結果、振動子本体３０は、励
振用の第１振動子３１と、起電力検出用の第２振動子３
２に分けられ、連結梁３３で、第１振動子３１と第２振
動子３２の振動の腹の部分を結合するようにされたので
、電気的には分離されているが、機械的には結合されて
いるため、高い＃Ｊ振成分除去比（Ｓ／Ｎ比）が得られ
る． 第１０図は振動子本体３ｏの実際例で、第１１図は第１
０図のＢ−Ｂ断面図である． 第１１図において、振動子本体３０は、振動子３１．３
２のＱ値を高くするなめに、シエル６０で振動子本体３
０を覆い、振動子３１．３２の周面に隙間６２を設けて
真空室６ｌに封じ込められた状態を示す． 第９図、第１０図においては、分りゃすくするために、
シエル６０は示されていない．く発明が解決しようとす
る課題〉 しかしながら、この様な装１においては、第１振動子３
１と第２振動子３２とが同一エビタキシャル層で連結さ
れているため、励振側と検出側が電気的に絶縁されてい
なかった．このため励ｒＡ電流が検出側に漏れ、夕ロス
トークレベル増加の原因となっていた． 本発明は、この問題点を解決するものである．本発明の
目的は、Ｓ／Ｎ比が高く、自励発振を安定に起こす事が
でき、安価な振動形半導体トランスデューサを提供する
にある． 〈問題点を解決するための手段〉 この目的を達成するために、本発明は、シリコン単結晶
の基板上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子
本体と、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動
子本体の励振された振動を検出する振動検出手段とを具
備する振動形半樽体トランスデューサにおいて、 両端が前記基板に固定されＰ，Ｎ形半導体の一方よりな
る第１振動子と該第１振動子を囲んで設けられＰ，Ｎ形
半導体の他方よりなる第２振動子とを備える振動子本体
と、該振動子本体に直交する直流磁界を加え前記第１振
動子あるいは前記第２振動子の一方の両端に交流電流を
流して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交す
る方向に励振する励振手段と、前記第１振動子あるいは
前記第２振動子の他方の両端に発生する起電力を検出し
自励振するに必要なゲインを付与する増幅器を具備し前
記振動子本木の固有振動数で自動発振が持続するように
横成された振動検出手段とを具備してなる振動形半導体
ｌ・ランスデューサを構成したものである． く作用〉 以上の横成において、基板に、外力が加えられる． 振動子には、直交するように交流磁界をかけ、第１振動
子の両端に交番電流を流すと、磁気誘導作用により、磁
界と電流とに直交する方向に励振する． このときの振動周波数は、第１振動子の長さ、幅、厚さ
および張力により決まる固有振動数で励振する． この時、第２振動子も等しい固有振動数を持つために、
第２振動子も同じ振動数で振動する．振動子本体の振動
は振動検出手段により検出され、その周波数は出力信号
として取出される．この結果、基板に加わった外力が検
出出来る．以下、実施例に基づき詳細に説明する．く実
施例〉 第１図は本発明の一実施例の要部構成説明図で、第２図
は実際の使用例、第３図は第２図のＢ−Ｂ断面図である
． 図において、第９図と同一記号の構成は同一機能を表わ
す． 以下、Ｍ９図と相違部分のみ説明する．７０は両端が基
板１１に固定され、この場合は、Ｎ形半導体よりなる第
１振動子７１と第１振動子７ｌを囲んで設けられ、この
場合は、Ｐ形半導体よりなる第２振動子７２とを備える
振動子本体である． ４０はＩＡ動子本木７０に直交するｔ′Ｉｉ流磁界を加
え、この場合は、第１振動子７１の両端に交流電流を流
して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交する
方向に励振する励振手段である．５０は、この場合は、
第２振動子７２の両端に発生ずる起電力を検出し自励振
するに必要なゲインを付与する増幅器５２を具備し振動
子本体７０の固有振動数で自励発振が持続するように横
成された振動検出手段である． 以上の構成において、基板１に外力が加えられる， 振動子７１．７２には、直交するように交流磁界をかけ
、第１振動子７１の両端に交番電流を流すと、磁気誘導
作用により、磁界と電流とに直交する方向に励振する． このときの振動周波数は、第１振動子７１の長さ、幅、
厚さおよび張力により決まる固有振動数で励振する． このとき、第２振動子７２も、等しい固有振動象を持つ
ために、第２振動子７２も同じ振動数で振動する． 第２振動子７２の振動は、振動検出手段により検出され
、その周波数は、出力信号として取出される． 従って、基板１０に加わった外力が検出出来る．この結
果、ＰＮ接合により、第１振動子７１と第２振動子７２
とが電気的に絶縁されているので、クロストークレベル
が低く、高い励振成分除去比（Ｓ／Ｎ比》が得られる． この様な装置は、例えば、第４図に示すごとくして作ら
れる． （１）第４図（Ａ＞に示すごとく、ｎ型シリコン（１０
０）面にカットされた基板１０に、シリコン酸化物ある
いはシリコン窒化物の膜１０１を形成する．この場合は
、酸化シリコン膜が使用されている． 膜１０１の所要の箇所１０２をポトリソグラフィにより
除去する． （２）第４図（Ｂ）に示すごとく、１０５０℃の水素（
Ｈ２）雰囲気中で、塩化水素でエッチングを行い、基板
１に所要箇所１０２をエッチングして膜１０１をアンダ
ーカットして、凹８ｌｌ１０３を形成する． なお、塩化水素の代りに、高温水蒸気、酸素を用いるか
、あるいは、４０℃〜１３０℃のアルカリ液による異方
性エッチングでもよい．（３）第４図（Ｃ）に示すごと
く、１０５０℃の水素（Ｈ２）雰囲気中でソースガスに
塩化水素（　Ｈ　Ｃ　ｌ　＞ガスを混入して選択エビタ
キシャル成長法を行う． すなわち、 ■ボロンの濃度１．０”ｃｍ’のＰ形シリコンにより、
隙間部６２の下半分に相当する第１エビタキシャル層１
０４を選択エビタキシャル成長させる． ■ボロンの濃度３Ｘ１０”ｃｍ″２のＰ形シリコンによ
り、第１エビタキシャル層１０４の表面に、第２振動子
７２の下半分に相当する第２エビタキシャル屑１０５を
、選択エビタキシャル成長させる． ■リンの濃度３Ｘ１０”ｃｍ″２のＮ形シリコンにより
、所要の箇所１０２を塞ぐように、第１振動子７１に相
当する第３エビタキシャル層１０６を選択エビタキシャ
ル成長させる． （４｝第４図（Ｄ）に示すごとく、第２エビタキシャル
層１０５の上部の膜１０１をフォトリングラフィにより
除去する． 《５）第４図（Ｅ）に示すごとく、１０５０℃の水素（
Ｈｚ）雰囲気中でソースガスに塩化水素（ＨＣ１）ガス
を混入して選択エビタキシャル成長法を行う． 即ち、 ■ボロンの濃度１０”ｃｍ’のＰ形シリコンにより、第
３エビタキシャル層１０６の表面に、第２振動子７２の
上半分に相当する第４エビタキシャル層１０７を選択エ
ビタキシャル成長させる。

■ボロンの漂度１０”ｃｒｎ−’の■〕形シリコンによ
り、第４エビタキシャル層１０７の表面に、隙間部６２
の上半分に相当する第５エビタキシャル層１０８を選択
エビタキシャル成長させる．■ボロンの濃度３　Ｘ１　
０２　０　ＣｍＪのＰ形シリコンにより、第５エビタキ
シャル層１０８の表面に、シェル６０に相当する第６エ
ビタキシャル層１０９を選択エビタキシャル成長させる
． （６）第４図（Ｆ）に示すごとく、シリコン酸化物の膜
１０１を、フッ化水素Ｍｕ　（　Ｈ　Ｆ　）でエッチン
グして除去し、エッチング注入口１１１を設ける． （７）第４図（Ｇ）に示すごとく、第２，第４，第６エ
ビタキシャルＪｉ／ｊＪ１０５，１０７，１０９に対し
て基板１０に正のパルスを印加して、エッチンダ液の注
入口１１１よりアルカリ液を注入して、第１エビタキシ
ャル層１０４と第５エビタキシャル層１０８を選択エッ
チングして除去する．第１．第５エビタキシャル層１０
４．１０８と第２，第４，第６エビタキシャル層１０５
，１０７，１．０９との間にエッチング作用の差がある
のは、ボロンの濃度が３Ｘ１０”　ｃｍ″２以上となる
とエツヂング作用に抑制現象が生ずることによる． このことは、例えば、「トランスデュサーズ８７１日本
電気学会発行の１２３ベージ　Ｆｉｇ８に示されている
． （８）第４図（ｌ４）に示すごとく、１０５０℃の水素
（Ｈ２）中で、ｎ形シリコンのエビタキシャル成長を行
い、基板１０の凹部１０３側の面と第２．第４，第６エ
ビタキシャル層１０５，１０７．１０９を覆うと共に、
注入口１１１を塞ぐようにして、ｎ形シリコンからなる
第７エビタキシャル［１１２を形成し、エッチング注入
口１１１をとじる． （９）第４図（１）に示すごとく、エッチング注入口１
１１が設けられていす、第１，第５エビタキシャル層１
０４，１０８が選択エッチングにより除去されていない
箇所に、第３エビタキシャル層１０６と第４エビタキシ
ャルＮＪ１０７それぞれの電極取出し用の穴１１３．１
１４をフォトリソグラフイにより開ける． なお、上記トランスデューサはシリコンの弾性率の温度
係数によって、その振動周波数が変化するので、圧力計
のほかに、真空容器に収納して温度計として利用できる
ほか、密度計としても利用することができる． く発明の効果〉 以上説明したように、本発明は、シリコン単結晶の基板
上に設けられたシリコン単結晶材よりなる振動子本体と
、該振動子本体を励振する励振手段と、前記振動子本体
の励振された振動を検出する振動検出手段とを具備する
振動形半導体１・ランスデューサにおいて、 両端が前記基板に固定されＲ，Ｎ形半導体の一方よりな
る第１振動子と該第１振動子を囲んで設けられＰ，Ｎ形
半導体の他方よりなる第２振動子とを備える振動子本体
と、該振動子本体に直交する直流磁界を加え前記第１振
動子あるいは前記第２振動子の一方の両端に交流電流を
流して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交す
る方向に励振する励振手段と、前記第１振動子あるいは
前記第２振動子の他方の両端に発生する起電力を検出し
自励振するに必要なゲインを付与する増幅器を具備し前
記振動子本体の固有振動数で自励発振が持続するように
楕成された振動検出手段とを具備してなる振動形半導体
トランスデューサを構成した． この結果、ＰＮ接合により、第１振動子７１と第２振動
子７２とが電気的に絶縁されているので、クロストーク
レベルが低く、高い励転成分除去比（Ｓ／Ｎ比》が得ら
れる． 従って、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が高く、自動発振を
安定に起こす事ができ安価な振動形半導体１ヘランスデ
ューサを実現することが出来る．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原理的要部椙成説明図、第
２図は実際使用例の要部禍成説明図で、第３図は第２図
のＢ−Ｂ断面図、第４図は第１図の製作説明図、第５図
〜第８図は従来より一般に使用されている従来例の横成
説明図で、第５図はトランスデューサを圧力計として絹
成した斜視図、第６図は第５図におけるＡ部の拡大平面
図に電気配線を施した図、第７図は第６図のＡ−Ａ断面
図、第８図は第６図を電気回路で示した図、第９図〜第
１１図は特願昭６２−２７２６５３号の楊成説明図であ
る． １０・・・基板、１１・・・ダイアフラム、１３・・・
磁石、４０・・・励振手段、４１・・・入カトランス、
４２・・・入力端子、５０・・・振動検出手段、５１・
・・出力トランス、５２・・・増幅器、５３・・・出力
端子、６０・・・シェル、６１・・・真空室、６２・・
・隙間、７０・・・振動子本体、７１・・・第１振動子
、７２・・・第２振動子、１０１・・・膜、１０２・・
・箇所、１０３・・・凹部、１０４・・・第１エビタキ
シャル層、１０５由第２エピタキシャル層、１０６・・
・第３エビタキシャル層、１０７・・・第４エビタキシ
ャル層、１０８・・・第５エビタキシャル層、１０９・
・・第６エビタキシャル層、１１１・・・エッチング注
入口、１１２・・・第６エビタキシャル層、１１３．１
１４・・・穴． 第１図 第　２　図 第 図 ７Ｚ；第２揉看カテ 第５図 第７図 第８図 （Ａ） 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 シリコン単結晶の基板上に設けられたシリコン単結晶材
   よりなる振動子本体と、該振動子本体を励振する励振手
   段と、前記振動子本体の励振された振動を検出する振動
   検出手段とを具備する振動形半導体トランスデューサに
   おいて、 両端が前記基板に固定されＰ、Ｎ形半導体の一方よりな
   る第１振動子と該第１振動子を囲んで設けられＰ、Ｎ形
   半導体の他方よりなる第２振動子とを備える振動子本体
   と、該振動子本体に直交する直流磁界を加え前記第１振
   動子あるいは前記第２振動子の一方の両端に交流電流を
   流して磁気誘導作用により振動子を磁界と電流に直交す
   る方向に励振する励振手段と、前記第１振動子あるいは
   前記第２振動子の他方の両端に発生する起電力を検出し
   自励振するに必要なゲインを付与する増幅器を具備し前
   記振動子本体の固有振動数で自励発振が持続するように
   構成された振動検出手段とを具備してなる振動形半導体
   トランスデューサ。